透明MgO薄膜制备方法及所得产品的制作方法

专利名称：透明MgO薄膜制备方法及所得产品的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种MgO薄膜的制备方法及所得产品，特别是一种透 明MgO薄膜的制备方法及所得产品。
背景技术：
目前MgO (氧化镁)功能薄膜作为彩色等离子体显示器的介质保护 层引起了人们的广泛兴趣，并得到了实际的应用。在现有技术中，MgO 薄膜的主要制备方法有电子束蒸发法和磁控溅射法等。其中，电子束蒸发法以纯MgO作为蒸发材料，采用电子束聚焦加热 的方式使MgO蒸发。但是，这种方法制备出的薄膜存在很多空隙，薄膜 与衬底结合不牢固，在退火过程中容易开裂。其中，磁控賊射法有直流和射频》兹控溅射两种。直流》兹控溅射以金属 镁作为靶材，同时通入反应气体02，利用Ar气的辉光放电产生的等离子 体轰击靶面，从而溅射出镁离子(原子)，并与02反应生成MgO;射频 磁控賊射一般以纯MgO作为靶材，由Ar+离子轰击靶面，賊射出的MgO 分子沉积到衬底上形成MgO薄膜。但是，^兹控溅射法的沉积速率太低， 大大限制了其在工业上的应用。近年来，有人将电弧离子镀技术引入了 MgO薄膜的制备工艺中。2004 年末韩国的Kim等人在Thin Solid Films上发表了 一篇文章，介绍了电弧
离子镀技术制备出的MgO薄膜具有致密度高及耐等离子体轰击能力强等 特点。但是，该篇文章中并没有揭示工艺参数，例如，衬底偏压、反应气 体分压等对MgO薄膜的结构、性能等的影响。因此本领域的普通技术人员不能根据该篇文章制备出其所述的MgO薄膜，并且也不能从该篇文章 得到制备其所述的MgO薄膜的启示。又如中国专利第01133479.7号所揭示的一种MgO薄膜制备工艺，它 采用多弧离子镀法，用纯Mg作为阴极靶，阳极和真空室相连，阴极和阳 极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极；装炉前先用HF酸清洗 基片，装炉后将真空抽至8xl(T3 ~ 2.0xl(X2Pa，通入Ar气与H2，加高偏压 500~700V,利用辉光放电对基片表面进行轰击，轰击时间为3 5min， 用02作反应气体，用Ar气作保护气体，氧气流量为160 270Sccm,并 将Ar气的铜导气管末端做成圓形，其大小比Mg靶略大，将其靠近Mg 靶，而02的用导气管口则靠近基片，用接触短路法引弧镀覆，弧电流为 20~40A,弧电压为15V 40V，工作压强为2.0 ~ 8.0xlO"Pa。但是，中 国专利第01133479.7号所揭示的制备技术及工艺参数存在以下几方面的 问题。(该段删除)首先，在实际生产中过程中，采用中国专利第01133479.7 号所揭示的10"Pa级的工作压强制备的MgO薄膜，其与基片的结合不够 牢固，容易从基片上脱落，造成等离子体显示设备不能稳定的工作，给生 产厂家和用户都带来了额外的麻烦；同时，采用较低的10"Pa级的工作压 强制备的MgO薄膜，往往因为02不够充足而使得基片表面形成的不是 MgO薄膜，而是Mg薄膜，如同镜面，而无法用于等离子体显示设备， 使所有的工作白费，浪费了人力和资源；即使在10"Pa级的工作压强下制备出了 MgO薄膜，也会在MgO薄膜中含有较多的Mg杂质，从而使MgO 薄膜的透明度大大降低，无法应用于实际产品中；此外，在10"Pa级的工 作压强下制备出的MgO薄膜不够致密；因此其耐轰击能力较弱，使用寿 命不够长；而且，在10"Pa级的工作压强下制备出的MgO薄膜的二次电 子的发射系数较小，不容易点火，从而驱动电路的点火电压就必须为较高 的电压，而工作电压较高最终将导致驱动电路的使用寿命变短。中国专利第01133479.7号所揭示的制备技术中，没有衬底负偏压技 术，入射离子的能量几乎得不到调控，从而不能通过改变入射能量调控择 优结晶取向的目的，而不同结晶取向的薄膜，其二次电子发射系数不同。 发明人在没有衬底负偏压下制备的MgO薄膜，扫描电子显微镜观察到薄 膜表面晶粒堆积较为疏松，这将降低薄膜的耐等离子体轰击能力，且容易 水解。发明人利用衬底负偏压技术改变入射离子的能量，得到致密的、不 同择优结晶取向的薄膜，从而实现了薄膜择优结晶取向可控、薄膜的耐等 离子体轰击能力加强和二次电子发射系数提高的目的。再则，在基片清洗时，中国专利第01133479.7号采用的是HF酸，这 种具有强腐蚀性的清洗剂将造成玻璃基片表面粗糙，从而影响玻璃的透明 度，然而作为一种显示设备，其透明度要求是越高越好，因此，上述专利 制备的MgO薄膜可能对优化等离子体显示设备的性能起到的作用不大。还有，中国专利第01133479.7号在对基片表面进行轰击时通入了 Ar 气与112,然而实验证明不通入H2也一样能够制备出高质量的MgO薄膜， 因此，这部分制备H2的成本可以节省下来。另外，经发明人试验证明，在电弧离子镀技术中应用磁过滤技术可以 有效降低薄膜表面大颗粒污染的程度。但是，到目前为止还未见有利用磁
过滤阴极电弧离子镀技术制备MgO功能薄膜的报道。因此，提供一种高致密度的、高透明度的、高二次电子发射系数的、 与基片结合稳定的、结晶取向及成份可控的、使用寿命较长的、成本较低 的、可在室温下快速沉积的、表面大颗粒污染较少的、且能够实际应用于等离子体显示设备的MgO功能薄膜及其制备方法成为了业界需要解决的 问题。发明内容本发明的目的是提供一种能够制备出膜层致密、与衬底结合牢固、透 明度高、二次电子发射系数高、结晶取向及成份可控的MgO薄膜的制备 方法及采用该方法所制备的MgO薄膜。本发明的一种方案是提供一种采用电弧离子镀法制备透明MgO薄 膜的方法，该方法包括将衬底置于真空室内，真空室与低压大电流直流 电源的正极相连，以纯镁作阴极靶，阴极耙与低压大电流直流电源的负极 相连；向真空室通入Ar气，并对衬底施加高偏压以利用Ar气辉光放电 产生的等离子体对衬底表面进行轰击清洗；轰击清洗完成后，向真空室通 入反应气体02与保护气体Ar，使真空室内的工作压强为0.2~4Pa;以及 向衬底施加负偏压并引燃电弧开始镀膜。其中，负偏压为脉冲偏压。比如-负偏压为大小为0~1000 V，占空 比为3% ~20%;在轰击清洗前，将衬底用乙醇超声清洗3分钟以上并干燥后固定于真 空室内的衬底架上，真空室抽至1 x l(X3~6x l(X3 Pa,通入Ar气至0.5 ~ 3.5 Pa，施加的高偏压为400~ 1100 V的脉冲偏压，占空比3%~20%,轰击
清洗的时间为5~20分钟。当不采用磁过滤装置时，村底正对阴极靶放置。向真空室内通入的反应气体02的流量为50 ~ 260 sccm,镀膜时真空室内的工作气压为0.2 ~ 4 Pa,电弧电流为45~ 100 A。具体可选择1 Pa以上的工作气压。可供选择地，本发明进一步采用磁过滤装置，阴极耙安装在磁过滤装 置的一端，磁过滤装置的另一端作为离子出口与真空室相连。向真空室内 通入的反应气体02的流量为5 ~ 100 sccm,镀膜时真空室内的工作气压为 0.2~0.8Pa,电弧电流为15~80A。磁过滤装置的磁过滤弯管中心磁场强 度为5 15mT。利用磁过滤装置制备出的薄膜，其表面无或较少大颗粒 的污染，颗粒尺寸小于600'nm,薄膜表面的颗粒覆盖率小于0.5%。 其中，衬底可以为载玻片、硅片或不锈钢片。 阴极靶采用高纯度的镁，镀膜时的沉积时间为5~30分钟。 本发明是在室温下进行，针对特殊情况也可以适当对基片进行加热， 制膜设备为PBAIP-4型离子镀膜机或者类似设备。可通过旋转衬底架及在真空室臂安装多个阴极靶而实现大面积薄膜 的制备。本发明的另 一 种方案是提供一种根据本发明的方法制备的透明 MgO薄膜，其中，MgO薄膜的厚度在150-2000nm之间，二次电子发射 系数Y大致为0.3~1.5之间，光学透过率为80%以上，比如80~93%之间。 薄膜中Mg和O的原子含量的比值为0.92 ~ 1.2,原子含量的比值具体可 选择接近1。本发明的方法制备的透明MgO薄膜并不局限于等离子体显示设备， 其可以应用于其它的领域，比如作为高温超导薄膜和铁电薄膜的稳定阻挡层。本发明的有益效果是首先，采用电弧离子镀制备透明MgO薄膜，可以充分利用电弧离子镀具有的高离化率(〉90%)以及高离子轰击能量的特性，可在低温下沉积薄膜，其沉积速率快，效率高，制备出的薄膜较为致密；其次，在结合脉冲偏压技术后.，具有瞬间能量密度高、平均能量 密度低等优点，不但可提高能量利用率，而且可以降低镀膜过程中基底的 温度，从而降低由于膜与基底热膨胀系数差所造成的界面应力，使膜层与 基底结合更牢；另外，通过采用负偏压技术来调节入射到衬底上的离子的 能量，从而达到调控薄膜的结晶取向的目的，而薄膜的化学成份也可以通 过调节反应气体的分压及电弧放电电流的大小等来调控；此外，当不采用 磁过滤时，采用大约lPa级的工作压强进行电弧离子镀膜，制备出的MgO 薄膜的膜层致密、与基片的结合牢固、二次电子发射系数高、使用寿命长， 采用1Pa级的工作压强使Mg被充分氧化，因此MgO薄膜中的Mg杂质 的含量较低，从而有效提高了 MgO薄膜的透明度；而且，当采用磁过滤 时，可以有效地消除阴极电弧等离子体中的大颗粒粒子和中性粒子，几乎 可以得到100%纯净的离子，制备的薄膜更为光滑、坚硬、致密、均匀； 最后，本发明的方法中真空室抽真空后，可不需要对衬底进行加热，辉光 放电清洗衬底时，不需要通入H2气，这些特征减小了成本和工艺复杂性， 同时，本发明的方法中衬底不需要HF酸清洗，从而避免对衬底的透明度 造成影响，而且工艺简单，不需要使用有毒、有害及危险性气体，无污染。 以下结合实施例，来进一步说明本发明，但本发明不局限于这些实施 例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利 要求书中所要求保护的范围。
具体实施方式
实施例1作为本发明的其中一种具体实施方式
，室温下，采用阴极电弧离子镀法，设备为PBAIP-4型离子镀膜机，用纯镁作为阴极耙，阳极和真空 室相连，阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负才及和正极；以载 玻片、硅片或不锈钢片作为衬底，用乙醇超声清洗10分钟后吹干，正对 靶面固定在真空室内的衬底架上。真空室抽至6xl(X3 Pa,通入Ar气至 2.0 Pa,加方波形脉冲偏压-1100 V于村底，调节占空比至5%，利用Ar 气辉光放电产生的等离子体对衬底表面进行轰击清洗，轰击时间为10分 钟；停止轰击后，通入反应气体02,其流量为200SCCM,用Ar气作为 保护气体，Ar/02的流量比约为1/20。对衬底施加方波形脉冲偏压-150 V, 占空比5%,用接触短路法引燃电弧，电弧电流为50 A，工作气压为1.0 Pa， 沉积时间7分钟。制备出膜层致密、均匀、可见光(380 ~ 900nm)透过 率高于93%、具有MgO( 200 )择优取向的MgO薄膜，薄膜的厚度为1230 nm,薄膜中Mg与O的原子含量之比Mg/O的值为0.96。实施例2作为本发明的其中一种具体实施方式
，室温下，采用阴极电弧离子镀 法，设备为PBAIP-4型离子镀膜机，用纯镁作为阴极靶，阳极和真空室 相连，阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极；以载玻 片、硅片或不锈钢片作为衬底，用乙醇超声清洗IO分钟后吹干，正对靶 面固定在真空室内的衬底架上。真空室抽至5.6x l(T3Pa,通入Ar气至 2.0Pa,加方波形脉冲偏压-1100V于衬底，调节占空比至5%,利用Ar
气辉光放电产生的等离子体对衬底表面进行轰击清洗，轰击时间为10分钟；停止轰击后，通入反应气体02,其流量为200SCCM,用Ar气作为 保护气体，Ar/02的流量比约为1/20。对衬底施加方波形"永冲偏压-750 V, 占空比5%,用接触短路法引燃电弧，电弧电流为50 A,工作气压为1.0 Pa， 沉积时间7分钟。制备出膜层致密、均匀、可见光(380~900nm)透过 率高于93%、具有MgO ( 200 )和(220 )混合取向的MgO薄膜，薄膜的 厚度为1030 nm,薄膜中Mg与O的原子含量之比Mg/O的值为1.0。实施例3作为本发明的其中一种具体实施方式
，室温下，采用阴极电弧离子 镀法，设备为PBAIP-4型离子镀膜机，用纯镁作为阴极靶，阳极和真空 室相连，阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极；以载 玻片、硅片或不锈钢片作为衬底，用乙醇超声清洗IO分钟后吹千，正对 耙面固定在真空室内的衬底架上。真玄室抽至4xl0—3 Pa,通入Ar气至 1.5Pa，加方波形脉冲偏压-900 V于衬底，调节占空比至5%,利用Ar气 辉光放电产生的等离子体对衬底表面进行轰击清洗，轰击时间为IO分钟； 停止轰击后，通入反应气体02，其流量为210SCCM，用Ar气作为保护 气体，Ar/02的流量比约为1/20。无衬底偏压，用接触短路法引燃电弧， 电弧电流为70A,工作气压为1.2Pa，沉积时间IO分钟。制备出膜层致 密、均匀、可见光(380 ~900nm)透过率高于90%、具有(220)择优取 向的MgO薄膜，薄膜的厚度为977 nm，薄膜中Mg与O的原子含量之比 Mg/O的值为1.1。 作为本发明的其中一种具体实施方式
，室温下，采用磁过滤阴极电 弧离子镀法，设备为PBAIP-4型离子镀膜机，磁过滤装置为1/4弯管，弯 管的一端安装阴极靶，另一端作为离子出口与真空室相连。用纯镁作为阴 极耙，阳极和真空室相连，阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的 负极和正极；以载玻片、硅片或不锈钢片作为衬底，用乙醇超声清洗10 分钟后吹千，正对离子出口固定在真空室内的衬底架上，衬底架与偏压电 源的负极相连。真空室抽至5.3 x l(T3Pa,通入Ar气至3.0Pa,施加方波 形脉冲偏压-900 V于衬底，占空比为5%,利用Ar气辉光放电产生的等 离子体对衬底表面进行轰击清洗，轰击时间为10分钟；停止轰击后，通 入反应气体02，其流量为30 SCCM,用Ar气作为保护气体，衬底所加 脉冲偏压为-150V,占空比为5%,磁过滤线圏电流7.5A。用接触短路法 引燃电弧，电弧电流为30A,电弧电压40V。工作气压为0.2Pa,沉积 时间20分钟。制备出膜层致密、均匀、附着性好、具有MgO(220)择 优取向的MgO薄膜，薄膜的厚度为240 nm,薄膜表面大颗粒尺寸小于 600 nm,表面大颗粒面积覆盖率小于0.5%,入射Ne离子束能量为400 eV 时的二次电子发射系数为1.18。本发明中，镀膜时， 一般情况下保护气体Ar气分压低于反应气体 02气的分压。我们的实验中， 一般保持二者的比例为1/20，保护气体常 常用的是Ar气，它既容易电离有利于引弧，又具有化学惰性。目前，文 献报道中未见有使用其它惰性气体作为保护气体，我们的实验中也未曾使 用。
权利要求
1、一种采用电弧离子镀法制备透明MgO薄膜的方法，该方法包括以纯镁作阴极靶；将衬底置于真空室内；向所述真空室通入Ar气，并利用高偏压下Ar气的辉光放电对所述衬底表面进行轰击清洗；所述轰击清洗完成后，向所述真空室通入反应气体O2与保护气体Ar，使真空室内的工作压强为0.2～4Pa；向所述衬底施加0～1000V的负偏压；以及引燃电弧开始镀膜。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述负偏压为脉冲偏压， 占空比为3% ~20%。
3、 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于向所述真空室内通 入的所述反应气体02的流量为50 ~ 260 sccm，镀膜时所述真空室内的工 作气压为0.2 ~ 4 Pa,电弧电流为45~ 100 A。
4、 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于进一步采用磁过滤 装置，所述阴极靶安装在所述磁过滤装置的一端，所述磁过滤装置的另一 端作为离子出口与所述真空室相连。
5、 如权利要求4所述的方法，其特征在于向所述真空室内通入的 所述反应气体02的流量为5~ 100sccm，镀膜时所述真空室内的工作气压 为0.2 ~ 0.8 Pa,电弧电流为15 ~ 80 A。
6、 如权利要求l所述的方法，其特征在于在所述轰击清洗前，将 所述衬底用乙醇超声清洗3分钟以上并干燥后固定于所述真空室内的衬 底架上，所述真空室抽至1 x 10-3 ~6x l(T3 Pa，通入Ar气至0.5 ~ 3.5 Pa, 施加的所述高偏压为400 ~ 1100 V的脉冲偏压，占空比3%~20%,所述 轰击清洗的时间为5 ~ 20分钟。
7、 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述村底包括载玻片、 硅片或不锈钢片，所述阴极靶采用高纯泉的镁，镀膜时的沉积时间为5~30分钟。
8、 一种根据权利要求1~7之一所述的方法制备的透明MgO薄膜， 其特征在于所述MgO薄膜的厚度在150 ~ 2000nm之间，二次电子发射 系数Y大致为0.3-1.5之间(Ne离子加速电压250 ~ 400V ),光学透过率为 80%以上，薄膜中Mg和O的原子含量的比值为0.92 ~ 1.2。
全文摘要
本发明公开了一种采用电弧离子镀法制备透明MgO薄膜的方法，该方法包括将衬底置于真空室内，真空室与低压大电流直流电源的正极相连，以纯镁作阴极靶，阴极靶与低压大电流直流电源的负极相连；向真空室通入Ar气，利用高偏压下Ar气辉光放电产生的等离子体对衬底表面进行轰击清洗；轰击清洗完成后，向真空室通入反应气体O₂与保护气体Ar，使真空室内的工作压强为0.2～4Pa；以及向衬底施加负偏压并引燃电弧进行镀膜。
文档编号C23C14/00GK101153379SQ20061012251
公开日2008年4月2日 申请日期2006年9月29日 优先权日2006年9月29日
发明者何振辉, 朱道云, 王明东, 郑昌喜, 闻立时, 陈弟虎 申请人:中山大学